珊瑚礁

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珊瑚礁分带示意图
全球洋底地形图

  珊瑚礁汉语拼音:shɑnhujiɑo;英语:coral reef),在热带亚热带浅海,以造礁珊瑚为主格架,与各种生物及其碎屑组成的能抵御风浪侵蚀的海底隆起。造礁珊瑚具有分泌碳酸钙形成外骨骼的功能,它们世代交替增长,构成礁体。如果仅由生物碎屑组成,不具抵御风浪的能力的称生物滩。

  现代热带、亚热带浅海中,珊瑚礁是一个具有极高生物多样性和资源生产力的生态系统,其中栖息的生物近10万种,仅鱼类就有约3,000种。鱼的密度是大洋平均值的100倍,有海底“热带雨林”及营养盐贫乏海区的“绿洲”之称。由于珊瑚礁世代交替生长,记录了大量地质历史时期气候变化和海洋环境的信息,因此也是海洋环境和生态系统的检测器。现代活珊瑚礁的总面积约60万平方千米,分布于100多个国家的海域,为沿海居民提供丰富的海洋水产品、海洋药物原材料、旅游休闲收益,成为地方和国家经济的重要财富。近20年来,由于开发过度、环境污染、疏于管理和保护,加上厄尔尼诺事件频发,珊瑚礁遭到严重破坏。

研究简史

  早在中国三国时期,康泰就在《扶南传》中记载了南海的珊瑚礁。19世纪初,德国自然学者A.von沙米索等在太平洋航行时,发现一些低矮群岛由珊瑚礁构成,并指出礁体形态与盛行风和海流等有关。1831~1836年,C.R.达尔文乘“贝格尔”号环球考察时,对珊瑚礁进行过研究和分类,1842年发表《珊瑚礁的构造和分布》一文,提出了珊瑚礁成因的“礁基沉降说”。1912年,法国L.儒班发表了第一幅全球珊瑚礁分布示意图。1935~1937年,中国地质学家马廷英利用珊瑚生长纹与骨骼密度差的关系,测得中国南海东沙群岛造礁珊瑚生长率为每年4~11毫米。20世纪50年代以来,美国的K.O.埃默里J.W.韦尔斯等人发现珊瑚礁主要分布在受赤道暖流明显影响的大洋西侧。1957年,韦尔斯阐明了珊瑚礁发育主要受水温、盐度、水深和光照的控制。1968~1970年间,澳大利亚学者W.G.H.马克斯韦尔阐明了水文条件变化对昆士兰大堡礁形态和发育过程的影响,并将礁体进行了细分。20世纪40年代以来,由于在古代礁体中发现了规模巨大的油气田,推动了古代礁与现代礁的比较研究。1979年R.G.费尔班克斯研究了珊瑚中18O/16O和13C/12C比率的年变化,开创了用氧、碳同位素研究珊瑚礁的先河。1994年M.K.加甘等研究了澳大利亚东北昆士兰大堡礁区珊瑚骨骼文石的氧、碳同位素与季风及海水表层温度(SST)和盐度 (SSS)的关系。1996年A.W.图德普等利用氧、碳同位素研究了珊瑚生长与季风的关系。1998年A.温特利用珊瑚骨骼氧、碳同位素得出小冰期(1700~1815)时,加勒比海区表层水温比现在低2~3℃。1999年中国聂宝符等利用珊瑚的X射线照片的光密度,分析了珊瑚生长率和海水表层温度的关系;1997年韦刚健彭子成等采用热电离质谱铀系法测定了珊瑚的年龄;2001年张乔民余克服等对南海南沙珊瑚礁氧、碳同位素进行了研究;2002年吕炳全日本大场忠道等利用氧、碳同位素研究了海南岛岸礁珊瑚中的气候记录。

成礁环境

  造礁珊瑚对水温、盐度、水深和光照等有比较严格的要求。

  1.水温 珊瑚生长的水温为20~30℃,最佳水温范围是23~ 29℃。中国海南岛西沙群岛水温平均为25~27℃,属造礁珊瑚最佳水温范围。海南岛纬度略高(北纬18°~20°),气候季节变化大,水温不稳定,对造礁珊瑚生长有抑制作用,海南岛和台湾的珊瑚礁被称为高纬度珊瑚礁。

  2.盐度 造礁珊瑚生长的盐度为27~40,最佳盐度范围是34~36,中国南海盐度为34~35,属最佳盐度范围;海南岛沿岸有河流淡水注入,盐度偏低,为32~33。

  3.水深 造礁珊瑚生长的水深范围是0~50米,最佳水深是0~20米,许多学者认为,这一水深实际上是与造礁珊瑚共生的虫黄藻进行光合作用的要求。

  4.光照 也是虫黄藻光合作用的要求,热带、亚热带区光照强,时间长,平均光照率在50%以上,有利于造礁珊瑚的发育。

  5.风和风浪 一般迎风浪一侧礁发育较好,新月形和马蹄形礁体凸面迎风浪,如果风浪有季节性变化,礁体便形成双马蹄形。因此,根据古代礁的形态可判断古风向。过强的风浪会击碎珊瑚,对礁体起破坏作用,也妨碍珊瑚虫在礁基上的固着和发育。

  6.河流 河流入海处,海水盐度低,泥沙含量多,混浊度高,海水透明度低,不利于珊瑚生长。但也有例外,如马绍尔群岛中的比卡尔环礁潟湖的湖水混浊,流通性差,但湖中发育有桡足类等珊瑚喜爱的食物,珊瑚发育良好。

  7.海面变动 当海面稳定时,珊瑚礁在近海面处平铺发展,但厚度不大,形成层状礁。当海面逐渐上升或海底逐渐下沉,形成的礁厚度便较大,礁体发育成塔形或柱形,礁体生长跟不上海面上升,会沉溺海底,形成溺礁。

  8.海底地形 无论在大洋和浅海区,珊瑚礁总是生长在海底正地形上,如大洋底的平顶山、海底火山等,浅海区的大陆架边缘隆起和构造隆起等。地形特征对礁的发育有较大影响。浅而平缓的海底,往往形成离岸礁;陡峭岸坡,礁体紧贴岸线发育。

  9.共生藻类 虫黄藻造礁珊瑚有相互依存的共生关系,虫黄藻吸收造礁珊瑚排出的代谢物质和CO2,进行光合作用,排出O2供应造礁珊瑚,并为造礁珊瑚提供钙质,形成骨骼中甲壳质(几丁质)的有机成分。造礁珊瑚的颜色与虫黄藻的色素,或与虫黄藻向光、背光或数目多少有关。有的学者认为造礁珊瑚要求的水温实际上是虫黄藻要求的温度,温度过高或过低,虫黄藻便会死亡,使造礁珊瑚白化死亡。藻类可直接造礁,如红藻中的珊瑚藻等有钙化层状骨架。藻屑是珊瑚礁中的常见组分,起充填骨架作用,一般占20%~50%。有些层状藻类在礁中发育,会在礁的骨架间或骨架与碎屑间起黏结作用,增强礁体的抗风浪能力。藻类还有富镁作用,形成高镁方解石。但钻孔藻(Bringalgal)等对礁体起破坏作用。

类型与分布

  达尔文根据礁体与岸线的关系,划分出岸礁、堡礁和环礁,这一分类目前仍在使用。此外,还可分出台礁和点礁等。

  1.岸礁 沿大陆和岛屿的岸线发育,又称裙礁或边缘礁。全球最长的现代岸礁沿红海岸线分布,长达2,700多千米,分布水深达30米。中国台湾恒春半岛和海南岛有岸礁发育。

  2.堡礁 又称堤礁。离岸有一定距离发育的堤状礁体,与陆地或岛屿之间以潟湖或礁湖相隔。现代规模最大的堡礁是澳大利亚东北的大堡礁,全长2,000多千米,分布水深达30米。

  3.环礁 礁体呈环状。中央为潟湖或礁湖,有的礁湖与外海有水道相通,环礁直径从几百米到几十千米不等。全球有环礁330多座,主要分布在太平洋西南海域、印度洋的热带海域及加勒比海区。环礁多生长在大洋的火山锥上,其分布受洋底火山控制;少数发育在大陆架上。环礁礁坪上有灰砂岛和礁岩岛,统称珊瑚岛。中国南海的中沙大环礁、马绍尔群岛的夸贾林环礁和印度洋马尔代夫群岛的苏瓦迪瓦环礁为全球三大环礁。其中,中沙大环礁的直径最大,达141千米。中国南海环礁发育在大陆坡上,基底为过渡型地壳,与大洋环礁不同;西沙群岛宣德环礁坪上的永兴岛是南海最大的灰砂岛,面积达1.86平方千米。

  4.台礁 呈台状高出周围海底,无潟湖和边缘隆起的珊瑚礁,又称桌礁。礁坪上可发育灰砂岛,如中国西沙群岛的中建岛。(5)点礁。又称斑礁。堡礁和环礁潟湖中的礁体,大小不等,形态多样。

结构

  礁体由3个基本相带组成。

  1.礁前带 位于珊瑚礁的向海一侧,主要为塌积沉积物,形成礁前塌积相。塌积物主要来源于礁核,粗细混杂,大礁块直径数米,细小的生物碎屑也不少,它们在重力作用下搬运和沉积,随着水深加大,坡度变缓,礁屑沉积物逐渐变细。

  2.礁核带 包括造礁珊瑚生长带、藻脊、礁坪和礁塘等。是礁的核心带,造礁珊瑚生长带上限为低潮线,下限视礁区水体混浊度而定。中国海南岛西海岸北部湾区,海水混浊,造礁珊瑚生长下限水深7~8米,一般不超过10米;海南岛东岸区,水较清,礁体生长带可达水深27米。西沙群岛区,造礁珊瑚生长下限可达35米。礁坪又称礁平台,是礁体的重要组成部分,位于潮间带,主要由礁块和生物碎屑等组成。这些物质来自礁体生长带,由波浪、潮汐和风暴潮搬运而来。藻脊位于礁坪外缘,高出礁坪1米左右,由孔石藻、石叶藻等包壳状藻类黏结礁块和生物碎屑等组成,具有强抗风浪能力。礁塘位于海滩与礁坪之间,深几十厘米至1米,底质为砂质。

  3.礁后带 包括海滩、砂坝和潟湖等。海滩是由岸向礁坪倾斜的坡地,由珊瑚碎屑和生物砂组成,岸礁海滩上有部分陆源碎屑,海滩砂可被文石、高镁方解石等碳酸盐类胶结为海滩岩。砂坝(砂堤)或灰砂岛位于潮上带,由珊瑚等生物砂(砾)堆积而成,一般高3~5米,最高达8米。潟湖在环礁区由礁体环抱而成,又称礁湖,水深可达45米;堡礁区的潟湖由礁体环抱岸线组成,岸礁区的潟湖往往在潮上带两砂堤之间。潟湖又可分咸化潟湖、淡化潟湖和与海相通的正常潟湖。

成因

  1842年达尔文提出“礁基沉降说”解释珊瑚礁的形成经历了三个发育阶段,并把岸礁、堡礁和环礁有机地联系起来。

  首先在岛屿和大洋火山岛四周形成岸礁;岛屿缓慢下沉,珊瑚与沉降速率保持同步向上生长,珊瑚礁外侧生长条件优于内侧,礁体逐渐离岸形成堡礁;当岛屿全部没入海面下,中央留下潟湖,便形成环礁。达尔文还指出,某些环礁可在平坦的沉降台阶或某些浅滩上形成。1950~1952年在马绍尔群岛的埃尼威托克环礁上进行钻探,分别在1,267米和1,405米深处钻到玄武岩基底,是原来的大洋岛屿,现在下沉了1千多米,证明达尔文的礁基沉降说是正确的。1915年,R.A.戴利提出冰期海面下降,原珊瑚礁死亡,礁体被侵蚀夷平,解释冰期后的环礁潟湖底平坦。1935年,美国学者J.E.霍夫迈斯特等提出“先成海台说”,解释部分规模较小的环礁成因。1947年,荷兰学者P.H.奎年认为“礁基沉降说”是正确的,但冰期对珊瑚礁发育有一定影响,又提出“冰期成因沉降说”。总之,珊瑚礁成因复杂,要圆满解释珊瑚礁所有成因特征,有待进一步努力。

研究意义

  珊瑚从古生代开始繁衍,一直延续至今,属种多,演化快,是划分地层的化石依据。珊瑚礁只发育于热带和亚热带海区,因而是判别古气候的重要标志,根据珊瑚生长纹的数量变化,发现寒武纪(距今5亿年左右)时,一年有424~412天,奥陶纪时为412~402天,泥盆纪为410~385天,石炭纪为390天,三叠纪为381天,现代为365天,成为地球自转速度变慢的有力证据。礁体的形态可判别地壳构造运动,如果礁体为塔状,表明该区当时下沉强烈;如果为层状礁,表明该区当时相对稳定;如果礁体中有剥蚀面和沉积间断面,表明礁区曾一度上升。晚侏罗世时,珊瑚礁生长北界自英国、德国南部、阿尔卑斯山以北、高加索直到帕米尔一带,以后,北界逐渐南移,到第四纪才与现代大体一致,这表明大陆漂移和气候在不断变化。高分辨率的氧、碳同位素分析表明,过去的130~400年中,太平洋东部、中部和南部以及澳大利亚西部,每隔2~3年或5~7年会出现一次与现代厄尔尼诺现象极为相似的海水温度的变化。同时还发现1万多年以来,热带海洋海水温度的变化总是处在不断动荡之中,有些时期的剧烈变化,远远超出人们的预测。

  珊瑚礁中蕴藏着丰富的矿产资源。礁灰岩是石油和天然气良好的生、储层,已发现和开采的大型油气田有十几个,可采储量达50多亿吨。礁型油气田多数是高产的大型油气田,多产于堡礁中,如世界最大油气田之一的伊拉克上白垩–古新统的基尔库克油田、利比亚锡尔特盆地古新–下始新统的宰勒坦油田、加拿大西部泥盆系的大气田等。此外,礁相沉积中还有煤炭、铝土矿、锰和磷以及铜、铅、锌等多金属层控矿床。有些珊瑚可用作药材,礁区具有丰富的渔业、水产资源,堡礁和环礁的潟湖可作为天然避风港,许多国家将礁区辟为旅游场所。由于气候和环境的变化,过度捕捞,城市和工业向礁区排污,使全球珊瑚礁出现严重退化,必须尽一切可能保护珊瑚礁和海洋环境,防止破坏性开发珊瑚礁区的各种资源。